紅外成像制導半實物仿真技術研究

周莉莉,李海鳳,佟佳慧,2,孔文華

(1.北京機電工程研究所,北京 100074;2.復雜系統(tǒng)控制與智能協(xié)同技術重點實驗室,北京 100074)

0 引言

光學成像制導技術是由飛行器上的光學成像探測器利用目標區(qū)反射或輻射的可見光或紅外信號,完成對目標區(qū)域的成像,通過人在回路或自動目標識別等方式搜索、截獲、跟蹤目標,導引飛行器偵察、打擊、命中目標的制導技術。光學成像制導技術已在各類武器系統(tǒng)中得到了廣泛應用[1]。其中,紅外成像制導技術由于具有全天時、精度高、抗干擾能力強、隱蔽性好、效費比高等優(yōu)點,已經(jīng)成為制導技術的主要發(fā)展方向之一。

為充分考核和優(yōu)化試驗室條件下紅外成像制導系統(tǒng)的性能,需要構建半實物仿真試驗系統(tǒng),建立貼近真實的模擬環(huán)境,閉環(huán)迭代開展動態(tài)試驗,完成對紅外成像制導系統(tǒng)工作流程及其性能的驗證。

1 飛行器制導控制系統(tǒng)工作過程

飛行器的控制是指使飛行器按照預定或指定的規(guī)律運動,其控制回路閉合流程如圖1所示。飛行器接收來自基準裝置或參考裝置以及成像系統(tǒng)的導引信息控制導彈運動,其運動姿態(tài)與質心運動航跡等參數(shù)經(jīng)控制系統(tǒng)的測量裝置獲取后,與輸入進行比較,按所得誤差及其處理信息進一步控制飛行器機體運動,直至滿足控制精度要求為止。

圖1 制導控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the guidance and control system

飛行器的制導是指建立飛行器運動與目標運動(目標所在的位置信息)的相互關系,由導引系統(tǒng)完成對目標運動或位置的搜索、識別、捕獲和跟蹤,并給出飛行器相對目標的運動信息,經(jīng)過控制系統(tǒng)形成相應的控制指令,操縱飛行器趨近目標。

2 典型的紅外成像制導仿真系統(tǒng)

紅外成像制導半實物仿真系統(tǒng)主要為紅外成像系統(tǒng)提供接近真實的模擬環(huán)境,使其在試驗室的工作過程與在飛行器上工作過程一致,從而實現(xiàn)對成像、搜索、捕獲、識別、跟蹤目標能力及其性能的檢驗。按圖1所示,仿真系統(tǒng)需實現(xiàn)的主要功能包括飛行器姿態(tài)運動的實時模擬、目標區(qū)場景模擬以及成像系統(tǒng)與目標之間的相對視線角運動模擬、飛行器運動學動力學模型計算等。以下介紹2種典型的紅外成像制導仿真系統(tǒng)工作原理。

2.1 基于五軸仿真轉臺的紅外成像仿真系統(tǒng)

基于五軸仿真轉臺的紅外成像仿真系統(tǒng)主要組成包括仿真機、五軸轉臺、圖像生成計算機、目標模擬器以及實時仿真網(wǎng)絡等[2-3],如圖2所示。

圖2 基于五軸仿真轉臺的紅外成像仿真系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of IR imaging simulation system based on five axis movement simulator

仿真機用于實時解算飛行器運動學、動力學模型,輸出飛行器和目標的各種參數(shù)數(shù)據(jù),實時控制仿真系統(tǒng)運行。

五軸轉臺接收仿真機實時解算飛行器的姿態(tài)角和視線角數(shù)據(jù)。其中：三軸部分安裝紅外成像系統(tǒng),實現(xiàn)飛行器運動過程中俯仰角、滾轉角、航向角3個姿態(tài)角變化的模擬;兩軸部分安裝目標模擬器,實現(xiàn)飛行器與目標相對運動過程中的視線方位角和視線高低角變化的模擬。

圖像生成計算機根據(jù)目標區(qū)的場景特征、飛行器位置/高度信息、紅外成像系統(tǒng)視線角等信息,實時生成具有足夠分辨率和對比度的目標場景動態(tài)圖像,并以視頻信號形式輸出給目標模擬器。

目標模擬器主要由動態(tài)紅外圖像轉換和光學投影系統(tǒng)兩部分組成,其作用是將圖像生成計算機生成的目標區(qū)場景信息的視頻信號轉換為紅外波段的信號,經(jīng)過光學投影系統(tǒng)投射到成像系統(tǒng)入瞳處[4-5]。

實時仿真網(wǎng)絡主要由光纖反射內存卡、HUB、光纖等組成,用于實現(xiàn)仿真系統(tǒng)設備間的實時高速通訊。

2.2 基于六自由度運動系統(tǒng)的紅外成像仿真系統(tǒng)

基于六自由度運動系統(tǒng)的紅外成像仿真系統(tǒng)主要包括實時仿真計算機、六自由度運動系統(tǒng)、目標區(qū)場景沙盤以及實時仿真網(wǎng)絡等,其系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 基于六自由度運動系統(tǒng)的紅外成像仿真系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of IR imaging simulation system based on the six-freedom-degree movement system

六自由度運動系統(tǒng)通常由三軸轉臺和3個線位移運動機構組成。三軸轉臺用于安裝紅外成像系統(tǒng),模擬飛行器飛行過程中的姿態(tài)角變化。線位移運動機構模擬飛行器質心運動的X,Y,Z三個方向的線位移變化,通常在X方向運動機構上安裝有目標區(qū)場景的紅外沙盤模型,為成像系統(tǒng)提供紅外場景模擬。

目標區(qū)場景沙盤包括各類典型的紅外目標模型,以及用于模擬不同目標輻射溫度的加溫裝置等。

以上2種方法均可為紅外成像制導系統(tǒng)提供與真實工作過程一致的仿真環(huán)境,主要差異體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)基于五軸轉臺的方案中兩軸運動位置與目標區(qū)場景模擬之間存在同步誤差,而基于六自由度的運動系統(tǒng)方案不存在這個問題。

2)基于五軸轉臺的方案中如果兩軸部分運動關系與視線角坐標系定義不一致,則需要進行坐標變換,由此可能帶來目標場景模擬器圖像產(chǎn)生像旋,需要在仿真過程中予以補償,而六自由度運動系統(tǒng)不存在這個問題。

3)基于五軸轉臺的方案系統(tǒng)規(guī)模緊湊,直接模擬視線角,精度較高,使用方便;而六自由度運動系統(tǒng)方案的規(guī)模較大,線位移是通過縮比實現(xiàn)的,間接模擬視線角,精度與基于五軸轉臺的方案相比略低。

4)基于五軸轉臺的方案目標區(qū)場景模擬通過圖像生成計算機、紅外目標模擬器等實現(xiàn),場景易于更換;而六自由度運動系統(tǒng)方案是通過目標區(qū)沙盤模型等實現(xiàn),更換的成本較高,但模擬的目標區(qū)特性比采用目標模擬器輸出的特性更真實。

從系統(tǒng)復雜程度、建設成本、靈活使用等方面進行綜合權衡,目前國內基于五軸轉臺的成像制導仿真系統(tǒng)較多。

3 紅外成像制導仿真技術發(fā)展趨勢及仿真需求分析

為適應未來復雜戰(zhàn)場環(huán)境作戰(zhàn)、偵察打擊目標多樣化的需求,紅外成像制導技術將向多維度、高分辨率探測、智能化、網(wǎng)絡化和低成本方向發(fā)展[6]。

1)由單波段單譜段向多波段多譜段發(fā)展

隨著干擾技術的快速發(fā)展,人工干擾和偽裝技術的發(fā)展使得單波段紅外探測器的探測和識別能力下降,復雜戰(zhàn)場環(huán)境下適應性不夠,導致命中精度降低。因此,結合目標、干擾等不同材質在不同波段呈現(xiàn)出較明顯的特征差異,采用雙波段或多譜段探測器件獲取二維空間圖像信息的同時,獲得了光譜信息不同波段信息,提供更豐富更精確的目標區(qū)信息,能夠提升對各種人工干擾的鑒別能力[7]。

2)由集中式獲取信息向分布式獲取信息方向發(fā)展

為了實現(xiàn)物美價廉的精確制導系統(tǒng),正在大力發(fā)展具有可承受成本的高端紅外成像探測器技術、高性能非制冷紅外探測器技術、低成本捷聯(lián)導引頭技術。通過將多個低成本探測器或高端低端混合探測器獲取的信息進行共享等方式可提高整體效能,降低單個成本[8]。此外,通過分布式探測模式,可以快速獲取大范圍的復雜戰(zhàn)場場景信息,利用多信息融合處理技術,提取出典型目標的信息,再分發(fā)給不同的成像制導系統(tǒng)進行識別、跟蹤等,進一步提升復雜環(huán)境下的飛行器性能。

3)紅外成像制導技術與人工智能技術實現(xiàn)深度融合

隨人工智能技術、計算機技術等快速發(fā)展,飛行器基于紅外成像系統(tǒng)獲得圖像信息,并綜合利用其他傳感器和接收的外部信息及目標特征數(shù)據(jù),通過飛行器信息處理系統(tǒng)中的深度學習算法等,實現(xiàn)在各種使用環(huán)境下的自動探測、自動分類、自動識別、自動捕獲和跟蹤,并且自主判斷與決策[9]。這對于各類飛行器適應復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境,提升性能和效能具有重要意義。

以上發(fā)展趨勢給系統(tǒng)仿真帶來了諸多新的需求,主要包括：

1)目標區(qū)多波段多譜段場景的模擬

不同材料組成的物體表現(xiàn)出的光譜信息不同,在紅外不同波段輻射的溫度也不同。因此,為了驗證多波段多譜段紅外成像系統(tǒng)的探測能力,以及豐富的信息提取能力等,需要在內場仿真試驗室建立近似真實的目標區(qū)多波段多譜段場景,反映出目標區(qū)各類物體的固有屬性。

2)面向博弈對抗的復雜仿真場景模擬

針對紅外成像制導系統(tǒng)的人為干擾主要有三類：煙幕干擾、紅外誘餌干擾、激光致眩干擾。煙幕干擾是人工產(chǎn)生的起遮蔽作用的氣溶膠。這些氣溶膠對不同波段的光學信號有較強的衰減作用,從而降低了紅外圖像的對比度,降低目標被紅外成像系統(tǒng)探測到的可能性。紅外誘餌干擾具有與被保護目標相似的紅外特征,用以欺騙或誘惑敵方紅外制導系統(tǒng)的干擾。紅外誘餌干擾分為點輻射型和面源紅外誘餌。面源紅外誘餌可以模擬真實目標的紅外輻射特征甚至目標的運動特性,從而使紅外成像制導系統(tǒng)無法識別出目標,或者影響跟蹤點的位置,導致無法正確跟蹤目標。激光致眩干擾是利用輻射的激光能量消弱敵方光電探測和成像制導系統(tǒng)正常工作能力的一種光電干擾。為了檢驗紅外成像系統(tǒng)的復雜環(huán)境適應性和各種智能算法的性能等,需生成帶各類干擾對抗場景的仿真環(huán)境,開展大量的仿真試驗驗證。

3)分布式協(xié)同制導的實時仿真環(huán)境構建

針對分布式探測的發(fā)展趨勢,需要建立覆蓋分布式探測范圍的大場景,確保各探測器在同一場景下工作,探測到的同一目標區(qū)的同一個目標,識別出的特征、位置信息等是一致的,從而驗證分布式探測相關技術。

4 成像制導仿真需要解決的主要關鍵技術

現(xiàn)有紅外成像制導仿真系統(tǒng)大多針對單一飛行器、單一體制、單譜段進行仿真驗證,無法滿足上述需求,需要開展相關的仿真技術研究。

1)成像制導仿真總體技術

剖析成像制導系統(tǒng)在復雜對抗環(huán)境中的工作流程以及其紅外探測器件的工作原理,明確仿真驗證內容,分析仿真需求,開展成像仿真新方法研究。綜合考慮現(xiàn)有技術基礎、系統(tǒng)建設成本、可行性等因素,開展成像制導仿真系統(tǒng)總體方案設計,綜合評估功能、成本、可行性后,確定仿真系統(tǒng)建設方案、關鍵設備組成、指標分解等,完成總體設計。

2)多波段多譜段目標區(qū)大范圍場景快速建模技術

針對探測區(qū)域的各類目標、干擾、背景等特點,研究具有多波段多譜段場景建模方法和驗模方法,建立高精度的場景圖像[10]。同時,針對探測制導等多功能一體化,分布式協(xié)同探測等需求,需要開展幾十或上百公里的各類復雜地物背景的快速且精細化建模技術研究、大范圍光學場景生成技術研究、光學仿真場景一致性控制技術研究等,實現(xiàn)快速建立大范圍的復雜戰(zhàn)場環(huán)境下的目標區(qū)場景模型。

3)目標區(qū)場景多波段多譜段生成技術

目前單波段的目標模擬器技術較為成熟,但多波段多譜段目標模擬技術,以及多波段多譜段信號實時合成技術等,還沒有取得完全突破,距離工程應用還有一定差距,因此需要深入研究,實現(xiàn)真實自然環(huán)境下同一目標場景的多特征信號的仿真。

4)博弈對抗環(huán)境下以及協(xié)同探測制導體制下的試驗設計與仿真評估技術

目前使用較多的試驗設計方法包括正交試驗設計、均勻試驗設計、全面試驗設計等。但針對博弈對抗環(huán)境下和分布式協(xié)同探測制導體制下的試驗設計以及紅外成像系統(tǒng)性能評估,不再局限于檢驗單一外紅探測器件或某一算法的性能,而是全系統(tǒng)多項性能需求的統(tǒng)籌考慮。需要研究設計什么樣的試驗內容、試驗條件,才能全面充分地檢驗實際成像系統(tǒng)的性能;研究采取哪些評估技術能客觀評價單項的技術改進和綜合的技術改進,以及對提升成像制導系統(tǒng)復雜環(huán)境適應性的貢獻度等。

5 結論

為進一步提升紅外成像制導飛行器的復雜環(huán)境適應性,成像制導技術近年來得到快速發(fā)展。為支撐新成像制導技術的突破及有效性檢驗,需要同步開展仿真關鍵技術攻關,支撐在內場構建貼近實戰(zhàn)、靈活設置、重復使用的半實物仿真試驗環(huán)境,開展大量的飛行全流程、全過程、全系統(tǒng)級干擾及對抗試驗,從而檢驗制導控制系統(tǒng)部件乃至全系統(tǒng)的性能,確定性能邊界并獲得超出設計條件的使用效果底數(shù),以確定真實任務背景下的成像制導技術使用方案等。